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带钢热连轧层流冷却温度控制软件V1.0

日期: 2018-01-03
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带钢热连轧层流冷却温度控制软件V1.0                      

 

在现代化带钢热轧生产过程中,控制与衡量产品质量的指标,除了厚度、宽度和板形等物理尺寸的精度之外,另一个重要方面就是产品的机械性能,控制轧制和轧后控制冷却对后者有重大影响。对处于生产过程中的带钢温度进行严格控制,就是实现高性能质量目标的重要手段。

带钢热连轧生产主要工序的最后一环,就是带钢卷取。带钢经过轧制和冷却、到达卷取机卷取成卷。带钢卷取前温度的高低,直接影响到产成品的加工性能、力学性能和物理性能。带钢热连轧卷取温度控制,已成为产品质量工艺控制的重要一环。

带钢热连轧CTC层流冷却温度自动控制技术(以下简称CTC技术),是我公司历时三年自主研发的计算机控制(应用)软件技术之一。

热轧带钢的机械性能由金相组织决定,如晶粒大小、晶粒形状、晶体错位、沉淀以及相变比例,而化学成分、冷却速度和卷取温度是决定带钢最终组织结构和相变比例的决定性因素。高温终轧的带钢,轧后处于奥氏体完全再结晶状态,如果轧后缓慢冷却(自然空冷),则变形奥氏体晶粒将在缓冷中长大,相变后成为粗大的铁素体组织,片层间距加厚。这种组织的力学性能较差。对于低碳钢及低合金钢,细化的铁素体加上沉淀析出的碳化物质,才提高了钢材的屈服强度,同时也改善韧性;对于高碳钢和高碳合金钢,轧后控冷则是防止变形后的奥氏体晶粒长大,降低网状碳化物的析出量,减小珠光体球团尺寸,改善片层距离,最终改善钢材性能。可见,控制冷却的工艺条件(开冷温度、冷却速度、终冷温度、冷却均匀程度)对相变前的组织、相变产物、析出行为、组织状态都有很大影响。

热连轧带钢卷取温度控制的本质,是轧后控制冷却。目前最有效和最流行的方式,是在末架轧机后数十米长的输出辊道上,装备有强制水冷的低压大水量层流冷却装置。通过计算机对层流冷却喷水段长度的动态调节和控制,将带钢从比较高的终轧温度迅速冷却到目标卷取温度,而且必须适应带钢的各类钢种、各种规格和不同的轧制速度,使带钢获得良好的组织性能和力学性能。

我们三年来的研发,重点突破和解决了如下六大工程技术难题:

(1)经过控水来控温,面对的要素多而复杂。带钢材质、厚度、运行速度不同,冷却水水量、水压、水温及水流运动形态也诸多变化;特别是冷却模型中的部分参数,如换热系数和比热,运行中的带钢速度、温度在冷却过程中是时变的,很难准确确定。

(2)温度检测点少。由于受工艺条件限制,在层冷区中无法设置测温仪,仅仅依靠轧机出口和卷取机前的测温,无法实现实时的温度反馈控制;另外,控制阀开闭和水流到达钢板表面存在延迟时间,这些都给控制带来困难。

(3)对于厚规格带钢,其表面和中心存在温差,带钢内部存在热传导,使得冷却数学模型与实际温度测量值之间存在较大差异。

(4)层流冷却装置分布在约60米长度的输出辊道线上,控制冷却是在很大空间范围内对高速运行中的带钢沿长度方向逐点实施冷却控制,这项控制是一个十分复杂的分布控制问题。

(5)带钢在冷却过程中存在相变(如奥氏体到铁素体的转变),相变产生热量对控冷影响很大;另外,冷却过程中存在复杂的导热现象,如高温带钢表面上的冷却水“薄膜沸腾”对对流换热系数影响很大,这使精确的温度控制变得十分困难。

(6)温度控制效果受冷却装置(阀)状况因素的影响。冷却水量的调节是非连续的,其控制“粒度”由一个阀组所控制的水量来决定,带钢温度控制精度本质上受这个“粒度”大小的制约。

我们按照如下的步伐,向难点热点挑战:

建立层流冷却温度控制策略;

为满足不同规格、不同钢种和不同性能的产品对于卷取温度和冷却速度的要求,层流冷却系统实施四种冷却策略:前段主冷模式、后段主冷模式和稀疏冷却模式(按组稀疏、按管稀疏)。带钢冷却策略在生产计划中用代码给出,以便层流冷却模型识别。

研发设计层流冷却温度控制功能模块;

主要包括六个子模块:计算准备处理、预设定计算、修正设定计算、反馈控制计算、自学习计算、控制终了处理;

还有一些辅助的和被以上六个子模块调用的部分,主要包括:带钢位置跟踪、模型中各种组别的确定、常规冷却控制设定计算(仅以卷取温度为控制目标)、冷却速度控制计算、一组集管内的水冷温降计算、空冷温降计算。

建立温度控制的数学模型;

空冷温度温降量模型、垂直喷射温度温降量模型、侧喷温度温降量模型、层流冷却温降计算模型(水温补偿系数模型、热流密度系数模型、集管组热流密度模型、集管组层流温度降下量模型)、带钢平均比热模型、反馈计算数学模型、自学习模型(水冷短期自学习模型、空冷短期自学习模型、长期自学习模型)。

注重实现温度控制的数据交换,设计层冷温控画面。

2006年12月和2007年2月,相继前后投产的河北邢台、迁安两套1250热连轧线,首先使用了我们的CTC技术;随后,2008年4月、6月相继投产的河北武安两套1250热连轧生产线,同样投入了CTC。如下是河北武安第一套1250热连轧应用CTC技术的效果:

以位于冷却区出口处的高温计测量带钢温度为准。在去除头尾不冷却段长度后,带钢本体温度根据统计的结果进行考核。在满足反考核要求的条件下,带钢本体温度控制达到了如下的指标范围:

 

成品厚度(mm)

温度公差范围(°C)

占比百分率(%)

备注

<2.0

≤±20

≥95.4


2.0-4.0

≤±20

≥95.4

4.0-6.0

≤±20

≥95.4

6.0–9.5

≤±20

≥95.4

9.5–12.5

≤±20

≥95.4

12.5–17.5

≤±20

≥95.4

>17.5

≤±20

≥95.4


 效果十分令人满意,它能够实现在产品物理尺寸精度之外的另一项重要质量指标,那就是带钢材质机械性能的保证。



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